дозатор для условий микрогравитации в космическом пространстве

Формула изобретения

1. Дозатор для условий микрогравитации в космическом пространстве, содержащий контейнеры для подачи текучих сред, размещенные в узле охлаждения и связанные с отверстиями распределения текучих сред, закрытый портативный питьевой контейнер, соединяемый с одним из отверстий распределения текучих сред, регулятор скорости потока, связывающий узел подачи газированного предварительного смешанного напитка с контейнером такого напитка, отличающийся тем, что в него введены элементы инициирования процесса дозирования в виде реле давления, расположенных в каждом отверстии распределения текучих сред, и блок управления дозируемыми текучими средами, связанный с элементами инициирования процесса дозирования при табулировании переменных параметров, включающих тип, количество и потребление дозированных текучих сред, а также предисторию потребления текучих сред для каждого пользователя.

2. Дозатор по п. 1, отличающийся тем, что контейнеры содержат плазму крови и воду.

3. Дозатор по п. 1, отличающийся тем, что узел охлаждения выполнен в виде циркуляционного вентилятора и теплообменного элемента, связанного с контейнерами.

4. Дозатор по п. 1, отличающийся тем, что узел охлаждения выполнен в виде холодной пластины, окружающей закрепленный на ней по меньшей мере один из контейнеров и связанной на одном конце с термоэлектрическим генератором.

5. Дозатор по п. 4, отличающийся тем, что одним из контейнеров, закрепленных на холодной пластине, является контейнер с плазмой крови.

6. Дозатор по п. 1, отличающийся тем, что узел подачи газированного предварительно смешанного напитка включает источник двууглекислого газа.

7. Дозатор по п. 1, отличающийся тем, что регулятор скорости потока представляет клапан, выполненный в виде перевернутого по направлению потока жидкости конуса, встроенного в магистраль подачи контейнера, с расширяющимся в направлении потока жидкости кольцеобразным поперечным сечением.

8. Дозатор по п. 1, отличающийся тем, что в него введен экран визуального наблюдения и идентификации данных выбора текучих сред, связанных с каждым отверстием распределения текучих сред.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение касается способа и устройства для дозирования и управления потреблением текучих сред, например, жидкостей в условиях микрогравитации в космосе.

Известно, что условия невесомости или условия микрогравитации в космическом пространстве не позволяет потреблять напитки из традиционных контейнеров с предварительным смешением напитков непосредственно в полость рта пользователя и, кроме того, повторное заполнение известных питьевых контейнеров для напитков представляет собой серьезную проблему, особенно если это касается газированных напитков.

Кроме того, при ограниченном запасе жидкостей на борту космического корабля или космической станции, необходимо регистрировать расход и потребление жидкостей для сбора научной информации, а также как средство правильного дозирования и распределение жидкостей.

Известный дозатор текучих сред в условиях микрогравитации предназначен для раздачи предварительно смешанных напитков в условиях микрогравитации в космическом пространстве [1]

Тем не менее, проблема все существует, и она заключается в приспособлении этих известных дозаторов и контейнеров в замкнутой управляемой системе, способной осуществлять регулирование расхода множества жидкостей в соответствии с типом жидкости и известным потребителем ее, которую эффективно применяют как для газированных, так и негазированных напитков,

Основная цель настоящего изобретения состоит в создании системы и устройства для раздачи множества различных жидкостей в условиях микрогравитации в космическом пространстве.

Целью изобретения является создание замкнутой системы и устройство для раздачи и контроля дозирования как газированных, так и негазированных напитков в условиях микрогравитации в космосе, причем контроль состоит в записи типа, количества и потребителя каждой из множества текучей среды.

Цели настоящего изобретения достигаются тем, что разработана система выборочной раздачи множества жидкостей в условиях микрогравитации в космосе, включающая в себя:

множество контейнеров для подачи жидкости, причем по крайней мере, один из множества контейнеров для подачи жидкости заполняют газированным, предварительно смешанным напитком;

средства для охлаждения множества контейнеров для подачи жидкости;

средства поддержания в растворе газированной, предварительно смешанной жидкости в упомянутом контейнере;

множество отверстий для раздачи жидкости, подсоединенных к соответствующим одним из множества упомянутых контейнеров для раздачи жидкости из упомянутого дозатора в условиях микрогравитации;

обычно закрытый, портативный питьевой контейнер для приема дозированных жидкостей, подсоединяемый, по крайней мере, к одному из упомянутого множества отверстий для распределения жидкости;

средство, связанное с упомянутым контейнером с газированным предварительно смешанным напитком, для регулирования скорости дозируемого потока для предотвращения выхода двуокиси углерода из газированного предварительно смешанного напитка;

средство управления процессом дозирования текучих сред в соответствии с заданными критериями, причем средство управления включает в себя компьютеризованное табулирующее устройство для определения и хранения множества переменных величин, включая тип и количество дозируемых жидкостей и получателей раздаваемых жидкостей;

средства для начала операции дозирования, причем средством инициирования является реле давления, установленное в каждом из упомянутого множества отверстий для распределения жидкостей и срабатывание реле давления далее инициирует программу табулирования средства контроля, таким образом, для каждого пользователя определяется предистория потребления жидкостей.

Настоящее изобретение будет более понятно из подробного описания, представленного ниже, и прилагаемых чертежей, которые приводятся лишь с целью иллюстрации и, таким образом, не являются ограничениями настоящего изобретения, и на которых:

фиг. 1 вид в перспективе дозатора для жидкостей в условиях микрогравитации согласно конкретному исполнению изобретения;

фиг. 2 вид сверху дозатора жидкостей в условиях микрогравитации, представленного на фиг. 1;

фиг. 3 технологическая схема (блок-схема) поясняющая процедуру дозирования в дозаторе жидкостей в условиях микрогравитации согласно настоящему изобретению;

фиг. 4 вид в разрезе (в вертикальной проекции) известного сосуда для питья в условиях микрогравитации для использования с дозатором жидкостей в условиях микрогравитации согласно настоящему изобретению;

фиг. 5 вид в разрезе другого известного сосуда для питья в условиях микрогравитации для использования совместно с настоящим изобретением;

фиг. 6 схематическое изображение встроенного клапана для регулирования скорости потока и основных, функционально связанных с ним элементов.

Подробное описание конкретных исполнений.

На фиг. 1 в позиции I представлен вид в перспективе системы дозатора жидкостей в условиях микрогравитации для распределения любой из множества жидкостей в условиях микрогравитации в космосе.

Отметим, что можно дозировать любое количество жидкостей, насколько это позволяют размеры системы, однако с целью пояснения показаны лишь три раздаточных отверстия 2-4, которые соответственно выдают газированный, предварительно смешанный напиток, воду и биологическую жидкость, например, плазму крови. Та же технология, что описана здесь, может использоваться для любого количества текучих сред, включая газированные и негазированные жидкости.

На фиг. 1 также показан дисплей 5 монитора в виде экрана электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Монитор можно использовать для представления возможностей выбора жидкостей для пользователя и для воспроизведения информации, включая идентификацию пользователя, выбор жидкости в настоящий момент времени, общее потребление жидкостей за последние 24 часа и тому подобное.

Вентилятор или воздуходувка 6 предназначен для циркуляции воздуха в секции холодильника раздаточного устройства, как это будет описано подробнее.

Фиг. 2 представляет вид сверху дозатора для раздачи жидкостей в условиях микрогравитации, показанного на фиг. 1. Вентилятор 6 установлен спереди дозатора 1 в направлении камеры охлаждения 7, расположенной вдоль правой стороны дозатора. Желательно для охлаждения жидкостей, хранящихся внутри холодильной камеры, использовать термоэлектрическое охлаждение. В связи с настоящим изобретением показана холодная пластина 8, на которой надежно закрепляются с помощью зажима один или более охлажденных контейнеров 9, 10. Эти контейнеры могут содержать предварительно смешанный напиток 9 и/или плазму крови 10. Термоэлектрический генератор 11 размещен в отдельном шкафу, соединенным с одним концом камеры 7 охлаждения, и состоит из термоэлектрического элемента 12 и приемника 13 тепла, соединенного с охлаждаемой пластиной 8 и камерой 7 охлаждения. Вентилятор засасывает воздух внутрь и продувает его через приемник тепла для того, чтобы обеспечить эффективную работу термоэлектрических охлаждающих элементов.

На фиг. 2 также показан резервуар 14 с водой для подачи свежей воды через выходное отверстие 3.

Газированными напитками сложнее манипулировать в космосе, чем спокойными текучими средами, такими как вода и плазма крови. Это, главным образом, связано с тем фактом, что газ стремится выделиться из текучей среды в газированных напитках. Поскольку в условиях микрогравитации в космическом пространстве никакого разделения газа и текучей среды произойти не может, то газированный напиток становится пенистой смесью, если его выпустить в неуправляемую среду. Пенообразование вызывается двумя факторами. Первый фактор связан с процессом десорбции двуокиси углерода из продукта, а второй связан с наличием газа в головной части контейнера, содержащего газированный напиток. Для предотвращения десорбции углерода (CO₂) этот газ должен постоянно находиться в растворе. Известно, что растворимость двуокиси углерода при данной температуре определяют по давлению ее насыщения. Поддержание жидкой фазы требует, чтобы продукт постоянно хранился при рассчитанном давлении насыщения или выше его.

В следующей ниже таблице указаны давлением насыщения для различных уровней насыщения углекислым газом при постоянной температуре 75^oF (23,88^oC).

Поскольку температура в кабине космического корабля или на космической станции может достигать 75^oF (23,88^oC), благодаря присутствию окружающей среды с контролируемой температурой, то давление насыщения были рассчитаны при этой температуре. Конечно, таким же образом может быть использована любая другая, известная температура.

Проблема головной части контейнера, а также необходимость поддержания газированного предварительно смешанного напитка в жидкой фазе в контейнере 9 решается использованием складного мешка внутри контейнера. Источник 15 двуокиси углерода подсоединен к контейнеру 9 через регулятор 16. Регулятор установлен таким образом, чтобы поддерживать газированный, предварительно смешанный напиток в контейнере при заданных условиях в соответствии с представленной таблицей. Предпочтительнее, чтобы регулятор давления был установлен на значение 32 фунт/дюйм² (2,250 кГ/см²), если температура равна 75^oF (23,88^oC), а выбранная степень насыщения углекислым газом составляет 2,5 объемов.

Таким образом, кольцеобразное пространство между мешком и стенкой контейнера заполняется газом CO₂ под постоянным давлением, поступающего из цилиндра 15, содержащего двуокись углерода. По мере того, как происходит расход продукта, газ двуокись углерода сжимает мешок, удерживая продукт под давлением и исключая образование какой-либо полости в головной части контейнера, которая может образовываться в противном случае.

Другой задачей, которую необходимо решить, является перепад давления, который возникает, когда газированный, предварительно смешанный напиток покидает контейнер. В частности, если давление мгновенно падает от давления насыщения, поддерживаемого внутри контейнера, до давления в 1 фунт/дюйм² на выходе из распределительного отверстия 2, то продукт больше не будет находиться при давлении его насыщения или выше его. Следовательно, газ двуокись углерода будет выходить из продукта, что приведет в результате к существенному пенообразованию. Вместо освежающего, газированного напитка, потребителю будет предложен продукт, напоминающий крем для бритья.

Однако известно, что газообразная двуокись углерода обладает свойством находиться в квазиравновесном состоянии, таким образом, если давление продукта понижается постепенно, то газообразный СО₂ останется в жидкости в виде перенасыщенного раствора. Настоящее изобретение решает эту проблему посредством установки распределительного клапана 17 в контейнере или в линии в дозирующей трубке смежно с контейнером или смежно с выходным отверстием 2, связанным с газированным, предварительно смешанным напитком, как показано на фиг. 6.

Элемент 18 распределительного клапана имеет конусообразную форму с постепенно расширяющимся в направлении потока жидкости из контейнера 9 к выпускному распределительному отверстию 2, кольцеобразным поперечным сечением. Из-за увеличения площади поперечного сечения потока жидкости давление жидкости постепенно понижается, тем самым поддерживается постоянно ламинарное течение. Более того, скорость потока можно отрегулировать винтом, расположенным наверху контейнера 9, при этом затягивание винта уменьшает площадь поперечного сечения потока и, следовательно, понижает скорость потока. Входная сторона клапана представляет собой узкий конец "конуса", а пулеобразный элемент имеет форму, дополняющую форму клапана, и он расположен внутри корпуса клапана. Поршень имеет первую коническую часть и вторую цилиндрическую, причем такая форма исключает какое-либо существенное изменение в скорости потока и понижает давление предварительно смешанной жидкости до давления окружающей среды без какого-либо существенного выброса углекислого газа или пенообразования.

Для негазированных жидкостей конический распределительный клапан необязателен. Скорость потока воды и плазмы крови можно отрегулировать распределяющими устройствами, расположенными в линию, такими как закрепленные дроссельные шайбы и им подобные. Поскольку продукт находится под постоянным давлением, то и скорость потока через дроссель будет также постоянная.

Раздачу любой из множества жидкостей следует осуществлять в меньший контейнер, который пригоден для непосредственного потребления или конечного использования в случае плазмы крови. Чрезвычайно важно, чтобы не происходило утечки дозирующих жидкостей в кабину космического челнока или в пространство космической станции. По этой причине используют портативный питьевой контейнер, подобный тому, что показан на прилагаемых фиг. 4 и 5. Каждый из этих питьевых контейнеров имеет жесткую экзоконструкцию 19 со складным мешком 20 внутри него. Экзоконструкция включает в себя стержень, который можно подсоединить к любому из множества распределительных выпускных отверстий. Благодаря такой конструкции текучий продукт может быть непосредственно подан в мешок 20 питьевого сосуда 21. Стержень 22 питьевого сосуда 21 имеет обратный клапан 23, встроенный в него, чтобы предотвратить утечку жидкости из питьевого контейнера, когда он отсоединяется от дозатора. Желательно использовать обратный клапан 23 типа "утконос", как показано на фиг. 4, однако, можно использовать и зажим 24 либо аналогичную конструкцию, как показано на фиг. 5. Питье газированного напитка или воды может быть осуществлено путем деблокирования клапана, а дозирование плазмы крови достигается аналогичным образом в соответствующий приемник.

На фиг. 2 также показан отсек 25 компьютеризованного мониторта, который используется для идентификации потребителя, табулирования расхода жидкости и подсчета потребления за последней, заранее определенный интервал времени, обычно 24 часа. Когда астронавт вставляет питьевой сосуд 21 в одно из множества выпускных отверстий 2-4, реле 26 давления передает сигнал компьютеру 25, и сканирующее устройство 27, предусмотренное для этой цели, идентифицирует питьевой сосуд для определения его пользователя. Идентификацию можно также осуществлять посредством двоичных переключателей и тому подобных. Когда происходит идентификация пользователя, то производится вызов предистории потребления жидкости этим конкретным пользователем и изменение предистории в соответствии с новыми данными. Как уже упоминалось, будет также отображена предистория предшествующего потребления за определенный промежуток времени.

Фиг. 6 представляет схематическое изображение встроенного клапана 17 регулирования скорости потока, как уже говорилось выше. Можно видеть, что источник CO₂ направляет газированный напиток из контейнера 9 через клапан 16 регулирования давления. Ламинарный поток напитка через конический клапан 17 обеспечивает раздачу жидкости без пены через выходное отверстие 2, когда в него вставляется стержень 22, в результате срабатывает реле 26 давления. Текущий контроль за процессом дозирования осуществляется монитором 25.

Со ссылками на фиг. 3 теперь будет описана упрощенная работа дозатора в условиях микрогравитации. Когда включены все системы космического челнока или космической станции, включается также дозатор для условий микрографитации, и он будет находиться в работоспособном состоянии, пока не будет отключено энергоснабжение. Если это требуется, то можно предусмотреть установку дополнительного питания с тем, чтобы устройство термоэлектрического охлаждения непрерывно поддержало камеру 7 охлаждения при оптимальной для предварительно смешанного напитка и плазмы крови, температуре.

Далее на этапе S1 все выходы 2-4 закрываются и в компьютере 25 начинают действовать различные регистры и блоки управления данными. Команды воспроизводятся на мониторе 12, и вспыхивает светоизлучающий диод, указывающий оператору, что дозатор может осуществлять обычные операции. На этапе S2 определяется, истек ли заранее установленный период времени (10 секунд). Если это имеет место, то изображение на дисплее монитора обновляется, обеспечивая оператора дополнительной информацией. Если же заранее установленный интервал времени не истек, то на этапе S4 определяется, сработало ли реле давления. Если это произошло, то тогда этапы S2 и S3 повторяются, либо цикл между этапами S2 и S4 продолжается до тех пор, пока не истекут 10 секунд.

Если на этапе S4 не сработало реле давления, то на этапе S5 устанавливается соответствующий флажок, и на этапе S6 вновь определяют, сработало ли реле давления. Если на этапе S6 не выявлено срабатывание реле давления, тогда системе переходит к этапу S7, т.е. либо к выдержке в течение 10 секунд, либо к срабатыванию реле давления. Если на этапе S6 обнаруживается, что реле давления сработало, тогда на этапе S8 посылается сигнал разъединения, в результате на этапе S9 инициируется включение подпрограммы устранения срыва, которая включает в себя задержку по времени, позволяющую компьютеру распознать нажатие на переключатель как единственное нажатие, а не серию нажатий, поскольку нажатие на механический переключатель заставляет цепь размыкаться и замыкаться несколько раз, и это считывается компьютером, как несколько нажатий на реле давления, и на этапе S10 осуществляет другое определение, если реле давления все же сработало. Если нет, то программа возвращается к этапу S5. Если да, то тогда включается таймер дозирования, передаются команды на дисплей монитора и включается дозирующий соленоид в течение определенного интервала времени. На этапе S12 вновь выявляется, сработало ли реле давления. Если оно не сработало, то программа возвращается к этапу S13 определяют, загорелся ли транспорант "Налив прекращен". Если транспорант "Налив прекращен" засвечен, то на этапе S14 происходит выключение дозирующего соленоида, и следовательно, операция дозирования завершается. Иначе говоря, программа возвращается к этапу S12.

Для гидропонных исследований компьютер будет поливать и/или подкармливать одно или несколько растений в заранее определенный отрезок времени, записывать время, количество израсходованной воды и подкормки, и по запросу воспроизводить данные.

Аналогично, дозатор будет выдавать по запросу порции плазмы крови для биологических исследований и записывать время и качество доз плазмы крови.

Требования к пространству для размещения дозатора, предназначенного для условий микрогравитации, относительно невелики и составляют 17,3 дюйма (439,4 мм) в ширину, 20 дюймов (508 мм) в глубину и 10 дюймов (254 мм) в высоту. Поскольку вентилятор или воздуходувка 6 расположен спереди дозатора, он может быть размещен в любом, легко доступном для астронавтов месте. Требования по энергопотреблению минимальные, поскольку дозатор будет потреблять менее 100 ва